Informatique au lycée Faustin Fleret

Au sein d’un ordinateur “classique” tel qu’un PC de bureau, les choses sont assez simples. Le processeur (CPU) se charge de réaliser les calculs les plus répandus, ceux qui permettent par exemple de faire tourner le système d’exploitation ou un navigateur web. On trouve aussi la carte graphique (ou GPU) qui se charge d’afficher une image, qu’elle soit en 2D ou bien en 3D comme dans les jeux. La carte-mère relie entre eux tous les composants, le CPU, le GPU, mais également la RAM et d’autres cartes additionnelles et petites puces. Chaque composant a un rôle spécifique. Ils communiquent entre eux par des bus de différentes vitesses.

Le transistor est un composant électronique essentiel : il permet de laisser (ou non) passer un courant électrique. Ainsi que l'avait prédit Moore, c'est la progression du nombre de transistors gravables sur le processeur qui guidera pendant des années l'évolution de l'informatique :

Mais depuis le début de l’ère des smartphones, on assiste à l’émergence de systèmes tout-en-un. Ainsi, presque tout le contenu d’un ordinateur se retrouve finalement dans une seule puce sur le smartphone : le System on a Chip (SoC), ou système sur une puce en français.

Les SoCs

Un Soc est un circuit intégré essentiel au fonctionnement des objets connectés et des smartphones.

Un SoC peut être composé de :

• microprocesseur (CPU)
• mémoires (RAM, ROM, Flash, ....)
• circuits graphiques (GPU)
• interface réseaux (Wifi, bluetooth,2G/3G/4G/5G etc.)
• des ports d’entrées et de sorties
• des bus

Pourquoi préférer un SoC à une solution classique?

Un processeur classique "plus puissant" cherchera à effectuer la tâche qui lui est confiée en visant la plus haute performance possible sans se soucier de la consommation d’énergie. Le processeur d’un SoC fonctionne lui en chercheant avant tout à le rendre le plus efficient (efficace en terme d’énergie) possible dans toutes ses tâches. Le but est qu’il utilise le moins possible d’énergie.

Et le fait que l’ensemble des éléments se trouvent dans une puce de quelques centimètres carrés offre des avantages :

• Rapidité accrue par rapport à un système classique due à la proximité des composants,
• Consommation en énergie moins importante qu’un système classique avec une unique alimentation,
• Chauffe peu donc ventilateur inutile,
• Les coûts des matières premières et de fabrication sont moindres,
• La miniaturisation qui offre un énorme potentiel d’innovation,
• L’adaptation aux besoins de l’appareil : chaque Soc est très spécifique,
• Silencieux.

Pour arriver à de bonnes performances en ménageant la consommation d’un processeur, il est possible de jouer sur plusieurs facteurs. La fréquence du processeur, le type de cœur au sein du processeur, ainsi que le procédé de gravure

En clair, le système sur une puce comprend tous les éléments essentiels d’un ordinateur comprimé dans une forme réduite. Son faible encombrement, son caractère complet et sa faible consommation d’énergie en font un circuit intégré idéal pour les applications mobiles, notamment l’IoT.

Exemple : Le Raspberry Pi 4

Le Raspberry Pi 4 intègre ainsi sur quelques centimètres carrés, une carte mère complète autour d'un processeur ARM Broadcom Quad Core Cortex A-72(ARMv8) à 1,5 GHz

Les différents types de Soc

Il n’y a pas un seul système sur une puce. Les utilisations variées de ce type de circuit intégré demande des architectures sensiblement différente. On distingue trois grandes familles de SoC :

• Le système sur une puce construit autour d’un microcontrôleur, la forme la plus simple d’un SoC qui a donné naissance aux cartes Arduino.


• Le système sur une puce construit autour d’un microprocesseur. Il s’agit du SoC, le plus répandu parce qu’utilisé par tous les fabricants de smartphones. Doté d’un Bus externe, il permet de connecter de nombreux capteurs.


• Le système sur une puce dédié à une tâche spécifique. Cette dernière famille comprend notamment les puces reprogrammables FPGA.

L’Internet des objets peut faire intervenir les trois familles de système sur une puce, suivant la complexité de l’objet, du capteur ou du système embarqué connecté à concevoir. Cependant, le Soc basé sur un microprocesseur prend généralement place dans la plupart des objets connectés. Suivant les fabricants et les besoins, il existe plusieurs architectures. Deux d’entre elles prennent place dans la grande majorité des produits électroniques conçus ces vingt dernières années.

L’architecture ARM :
Conçu par la société du même nom, l’architecture ARM a été développé en interne à la fin des années 1980. C’est en 1987 qu’elle est la première fois utilisée dans la gamme d’ordinateurs 32 Bits Archimède. L’architecture ARM ne dépend pas d’un seul fabricant. Le modèle économique de l’entreprise repose sur la vente de licences à d’autres fabricants. Les SoC d’ARM se retrouvent ainsi dans la plupart des smartphones et des objets connectés.

L’architecture X86 :
Voici l’architecture la plus répandu dans le monde. Conçue par Intel, elle est utilisée commercialement depuis 1978. Cette architecture a permis de développer les processeurs des ordinateurs, des serveurs ou encore de certaines tablettes. Intel Atom est la gamme SoC du célèbre fondeur. Cependant, l’architecture X86 est beaucoup moins utilisée pour développer les modèles d’un système sur puce IoT.

Pour info: exemples de SoC

Voici quelques exemple chez les principaux fabriquants:

• Apple (A13 Bionic):
  
  il équipe les iPhone 11, le SoC dispose d’un CPU 6 coeurs: 2 coeurs 2.65 GHz Lightning et 4 coeurs 1.8 GHz Thunder. Le GPU du SoC est le A13 GPU 4 cores.


• Qualcomm (Snapdragon 865):
  
  Qualcomm est le leader sur le marché des SoC mobiles. Le Snapdragon 865 dispose d’un CPU 5G 8 coeurs: 1 cœur 2.8 GHz Kryo 585, 3 cœurs 2.4 GHz Kryo 585 et 4 cœurs 1.8 GHz Kryo 585. Le GPU quant à lui est un Adreno 650.


• Huawei (Kirin 990)
  
  il équipe Huawei P40 et P40 Pro. On y retrouve un CPU 5G 8 coeurs avec 2 coeurs 2.86GHz A76, 2 coeurs 2.36GHz A76 et 4 coeurs 1.95GHz A55. La carte graphique (GPU) est un Mali-G76 MP16.


• Samsung (Exynos 990)
  
  il équipe les Samsung Galaxy S20 en Europe. Le Soc Exynos 990 dispose d’un CPU 5G 8 coeurs: 2 coeurs 2.73GHz Samsung M5, deux coeurs 2.5GHz Cortex A76 et quatre coeurs 2GHz Cortex A55. Pour finir, le GPU est un ARM Mali G77MP11.

Entraînement 1 :

A partir de l'article du site elektormagazine.fr
1) Relevez les différentes caractéristiques du SoC du Raspberry Pi 3 modèle B+.
2) Les comparez au SoC du Raspberry Pi 4.
3) Quelles sont les principales évolutions qui contribuent à ce gain?

Entraînement 2 :

La photo ci-dessus montre le détail d'un SoC Kirin 990
Identifier les différentes parties de ce SoC

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